DE10238628A1

DE10238628A1 - Keramisch isolierter Hochtemperatursensor

Info

Publication number: DE10238628A1
Application number: DE10238628A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Irrgang; Barbara Irrgang; Hartmuth Kämpf; Winfried Heinz; Klaus-Dieter SCHÄTZLER
Original assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: DE102004007906B4; DE10238628B4; DE102004007906A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatursensor der eingangs angegebenen Art anzugeben, der in einem Temperatureinsatzbereich von 600 DEG C bis 900 DEG C eingesetzt werden kann, hohen mechanischen und chemischen Belastungen standhält, technologisch günstig hergestellt werden kann und darüber hinaus die Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit sowie den thermischen Einbaufehler gegenüber bekannten Temperatursensoren verbessert. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass das Fassungsteil zylindrisch ausgebildet ist und im Fassungsteil ein Keramikkörper angeordnet ist, der gasdicht mit dem Fassungsteil verbunden ist, aus beiden Enden des Fassungsteiles herausragt und eine Innenbohrung aufweist, in dem die Innenleitungsdrähte verlaufen, wobei mindestens einer der Innenleitungsdrähte mit einer hochtemperaturbeständigen Isolation versehen ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen keramisch isolierten Hochtemperatursensor mit einem elektrischen Anschluss, einem temperaturabhängigen Messelement und einem metallischen Fassungsteil, wobei das Fassungsteil mit Prozessanschlussbauteilen verbunden ist und das untere Ende des Fassungsteiles in das zu messende Medium ragt und das obere Ende sich auf der Anschlussseite befindet, und im Inneren des Fassungsteiles voneinander isolierte Innenleitungsdrähte verlaufen, die das Messelement mit dem elektrischen Anschluss verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft einen keramisch isolierten Hochtemperatursensor mit einem elektrischen Anschluss, einem temperaturabhängigen Messelement und einem metallischen Fassungsteil, wobei das Fassungsteil mit Prozessanschlussbauteilen verbunden ist und das unteres Ende des Fassungsteiles in das zu messende Medium ragt und das obere Ende sich auf der Anschlussseite befindet, und im Inneren des Fassungsteiles voneinander isolierte Innenleitungsdrähte verlaufen, die das Messelement mit dem elektrischen Anschluss verbinden.
Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verwendung in Temperaturmessstellen mit erhöhtem mechanischen und thermischen Belastungen, wie z.B. in Abgaskanälen von Verbrennungsmotoren auftreten.
Zur Verbesserung des Motormanagements von Verbrennungsmotoren werden Temperaturfühler benötigt, deren Einsatztemperatur im Bereich von 600 °C ... 900 °C liegt. Die Messstellen für die Temperaturfühler liegen meist im motornahen Teil des Abgaskanals. Die bei Abgastemperaturmessungen vorliegenden chemisch-korrosiven, mechanischen und thermischen Einsatzbedingungen stellen hohe Anforderungen an die Bauteile des Temperaturfühlers und erfordern aufwendige und komplizierte Mittel hinsichtlich der einzusetzenden Materialen sowie von Maßnahmen zur stabilen Lagerung der Bauteile und der Gestaltung von Verbindungen der Bauteile.
Die im Stand der Technik bekannten Temperatursensoren verfügen über einen elektrischen Anschluss, der die Koppelstelle der im Gehäuse verlaufenden Innenleitungen mit den äußeren Anschlussleitungen darstellt, ein Messelement, das beispielsweise als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist und in einem metallischen Fassungsteil angeordnet ist, wobei das Fassungsteil mit einem Prozessanschluss verbunden ist. Unter Prozessanschluss wird die Verbindungsstelle des Temperatursensors mit dem Behältnis, in dem sich das Medium befindet, dessen Temperatur ermittelt werden soll, verstanden. Dabei ragt das untere Ende des Fassungsteiles (5) in das zu messende Medium hinein und das obere Ende befindet sich auf der Seite des elektrischen Anschlusses.
Im Stand der Technik sind bereits eine Reihe von Temperatursensoren beschrieben, die einzelne der vorgenannten Aufgaben lösen sollen.
Hierzu sind beispielsweise in DE 199 34 738 A1 und DE 100 62 041 A1 Anordnungen beschrieben, bei denen zur Verbesserung der Aufbau- und der Verbindungstechnologie zwischen Sensor und Innenleitungen vorgeschlagen wird, dass der anschlussseitige Bereich des Temperatursensors mit temperaturfesten, elektrisch nicht leitenden Material vergossen ist oder über eine überlappende Verbindung von Thermistorenanschlüssen und Signalinnenleiter bei paßgenauem Sitz erfolgt.
Technische Maßnahmen zur Sicherung des Messelementes sind in DE 30 12 787 A1 und DE 199 22 928 A1 angegeben. Bei den dort beschriebenen Anordnungen wird das Messelement hierzu in einem Metallgehäuse angeordnet und mit einem isolierendem Pulver isoliert und fixiert.
Zum Schutzes gegen sensorschädigende Atmosphären sind nach DE 298 23 459 U1 und EP 0 774 650 A1 verschiedene Maßnahmen bekannt.
In EP 0 774 650 A1 wird vorgeschlagen, im Anschlussbereich des rohrförmigen Gehäuses eine mechanisch feste und flüssigkeitsdichte Verbindung vorzusehen, die einen Zutritt von Luftsauerstoff aus der Umgebung über ein Anschlusskabel in das Gehäuse ermöglicht, während die DE 298 23 459 U1 den Sauerstoffzutritt über eine Halsrohröffnung ermöglicht. Nachteilig sind bei beiden Lösungen neben den komplizierten Aufbauten die Notwendigkeit der Anbringung von Öffnungen an den Sensorfassungen.
Möglichkeiten zur Verbesserung messtechnischer Wärmeableitungs- und Strahlungsfehler werden in DE 199 39 493 A1 und DE 298 23 379 U1 beschrieben.
Zur Verbesserung des Schutzes der mechanischen Armaturkomponenten sind in DE 100 34 265 A1 und DE 199 41 188 A1 Anordnungen angegeben, mit denen durch unterschiedliche Durchmessergestaltung eine Anpassung an Festigkeits- und Fertigungsvorgaben erfolgt.
Nachteilig sind bei den beschriebenen Anordnungen neben der aufwendigen und damit kostenintensiven Herstellung auch, dass jeweils nur einzelnen der genannten Belastungen begegnet wird, so dass die Ursachen für Messfehler und Funktionsstörungen messtechnischer, elektrischer oder mechanischer Art nicht generell beseitigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochtemperatursensor der eingangs angegebenen Art anzugeben, der in einem Temperatureinsatzbereich von 600 °C bis 900 °C eingesetzt werden kann, hohen mechanische und chemischen Belastungen standhält, technologisch günstig hergestellt werden kann und darüber hinaus die Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit sowie den thermischen Einbaufehler gegenüber bekannten Temperatursensoren verbessert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Hochtemperatursensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1: Längsschnitte durch schematische Darstellungen von Hochtemperatursensoren mit geschlossenen Keramikformteilen,
im einzelnen sind hier Anordnungen mit Keramikformteil dargestellt in
1a mit Stoß- und Strahlungsschutz,
1b mit verjüngter Spitze,
1c mit eingekittetem und eingehülltem Messelement,
1d mit eingekittetem und teilweise aus dem Keramik- Formköper herausragendem Messelement,
1e mit stark konischem Formteil,
1f mit stumpf eingekittetem Messelement und
2: Längsschnitte durch schematische Darstellungen von Hochtemperatursensoren mit offenen Keramikformteilen,
im einzelnen sind hier Anordnungen mit Keramikformteil dargestellt in
2a mit innenliegendem koaxialen Mantelthermoelement,
2b mit Standardmantelthermoelement,
2c mit koaxial angeschlossenem Mantelwiderstandselement,
2d mit koaxialem Mantelwiderstandselement mit konischem Keramikformteil,
2e mit Doppelöffnung und starken Thermodrähten.
Der in 1a dargestellte keramisch isolierte Hochtemperatursensor weist ein Messelement 1 auf, dessen Anschlussdrähte mit den Innenleitern 10 verbunden sind. In der Abbildung sind zwei Innenleiter 10 dargestellt, von denen einer mit einer keramischen Isolation 10.1 umgeben ist. Bei Anordnungen mit Mehrleiteranschluss werden entsprechend mehr Innenleiter keramisch isoliert, so dass jeweils nur ein Leiter ohne Isolation verbleibt. Als Messelement 1 ist ein als widerstandselektrisches Schichtelement mit zwei Anschlusselementen vorgesehen. Es kann aber auch als thermoelektrisches Zweidraht- oder Koaxelement ausgeführt werden. Das Messelement 1 befindet sich in der Spitze des Keramikformkörpers 4 und ist dort mit Keramikkitt oder anderen Maßnahmen gesichert. An dieser Stelle und/oder im weiteren Verlauf der Innenleiter 10 befindet sich eingerütteltes Keramikpulver 12, dem Anteile von sauerstoffabgebenden Oxiden beigemischt sind. Der Keramikformkörper 4 weist eine Verdickungsstelle 4.3 auf, die das Halsrohr 4.2 vom Eintauchteil 4.1 trennt. Im Verdickungsteil 4.3 befindet sich in in der Nähe zur Ubergangsstelle zum Halsrohr 4.2 eine Passung und eine Verbindungsschicht 6, die aus Kleber, Lot oder Kitt besteht und das Keramikformteil 4 mit einem metallischen Fassungsteil 5 gasdicht und fest verbindet. Die Verbindung zwischen Fassungsteil 5 und Keramikteil 4 wird zusätzlich durch eine Bördelung 7 sowie Sicken 15 unterstützt. Zur Verbindung zwischen dem das Medium beinhaltenden Behälter und dem Hochtemperatursensor dient ein Prozessanschluss, der im dargestellten Beispiele aus einem am Fassungsteil 5 angeordnetem Dichtbund 5.2 und einer Überwurfmutter 5.3 besteht. Der Prozessanschluss kann auch als Druckschraube-Bund-, als Einschraub-, als Überwurfschraube-Bund- oder als Flansch-System ausgebildet sein. Die dicke Ausbildung des Keramikformkörpers 4 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine wirksame thermische Isolation zum Fassungsteil 5, so dass der auftretende statisch-thermische Fehler weitgehend unterdrückt wird. Dabei liegt die Befestigungsebene des Prozessanschlusses unterhalb der Verbindungsschicht 6, so dass diese thermisch geringer belastet wird.
Der elektrische Anschluss 2 befindet sich im messelementfernen Teil des Halsrohres 4.2. Dieser kann beispielsweise in Form einer vergossenen Verbindungsstelle 8 zum nachfolgenden Anschlusskabel 14 bestehen, wobei auch Stecker- und Winkelanschlüsse an dessen Stelle angebaut sein können. Zur elektrischen Verbindung verlaufen zwischen Messelement 1 und elektrischen Anschluss 2 im Keramikkörper 4 Innenleiter 10 in Form von Einfachleitungen, die teilweise eine Isolation 10.1 besitzen.
Die in 1a gezeigte Anordnung verfügt über einen zusätzlich angebrachten Schutzkäfig 5.1, der als Stoß- und Strahlungsschutz wirkt und als Verlängerung des unteren Bereiches am Fassungsteil 5 angeordnet ist und die empfindliche Messspitze 4.4 schützt.
Bei der in 1b dargestellten Ausführung ist Eintauchteil 4.1 des Keramikkörpers 4 etwa zylindrisch ausgeführt und weist am Ende, also in dem Bereich, in dem das Messelement 1 lagert, eine verjüngte Messspitze 4.4 auf.
Die in 1c gezeigte Anordnung erläutert eine Ausführung, bei der das in eine Hülse oder Kapsel 1.2 eingebrachte sensitive Messelementteil 1.1 mittig als Spitze im Keramikformkörper 4 eingekittet ist.
Bei der in 1d ist mittig eine verlängerte Messwiderstandsanordnung 3 eingekittet, bei der zur Verbesserung des Wärmeübergangs eine Wärmeleitspitze 3.1 als Überstand aus dem unteren Ende des Keramikteils 4 herausragt.
Die in 1e dargestellte Ausführung entspricht weitgehend der in 1a erläuterten Anordnung, sie weist jedoch als medienberührende Messspitze ein stark konisch ausgebildetes Eintauchten 4.1 auf. Auf eine gesonderte Stoß- und Strahlungsschutzanordnung wurde hierbei verzichtet. Das Messelement 1 ist in einem Kittverguss 11 eingelagert.
Bei der in 1f gezeigten Anordnung ist der Messwiderstand 1 mit einer Kittstelle 9 stumpf am Boden des Keramikformkörper 4 befestigt, wobei sich die sensitive Schicht des Messelementes 1 auf der inneren Seite befindet.
In 2 sind Ausführungsformen des keramisch isolierten Hochtemperaturfühlers dargestellt, bei dem koaxial im Inneren des Keramikformteiles 4 metallische Schutzrohrteile angeordnet sind, in denen sich das Messelement 1 mit den Innenleitungen 10 und gegebenenfalls weiteren Bauteilen befinden. Dabei ist der Durchmesser der metallischen Schutzrohrteile nicht konstant, sondern geringfügig größer als am Anschluss ausgeführt.
In 2a ist eine Anordnung dargestellt, bei der mittig im Keramikkörper 4 ein koaxiales Mantelthermoelement 18 mit einer gehämmerten Messspitze 18.1 angeordnet ist. Das hohe Isolationsvermögen des Keramikformkörpers 4 ermöglicht es, eine Schweißstelle des koaxialen Thermoelementes direkt am Messort anzuordnen, ohne dass ein Masseschluss zu Fassungsteilen auftritt. Neben der hohen elektrischen Isolation bewirkt auch der hier offene Keramikformkörper 4 eine thermische Entkopplung zum Fassungsteil und damit zur Einbaustelle.
Das Fassungsteil 5 und die elektrische Anschlussgestaltung sind wie in 1 erläutert ausgebildet.
Bei 2b ist das Mantelthermoelement 17 mit den indirekt verschweißten und in Keramikpulver 16 liegenden Thermodrähten im Keramikkörper 4 angeordnet.
2c zeigt einen Hochtemperatursensor, bei dem ein Messwiderstand zentrisch in einem Rohr angeordnet ist, so dass einer seiner in Längsachse angebondeten Drähte an der Messspitze mit dem Rohr verschweißt, sowie andererseits mit einem isolierten Innenleiter 10 elektrisch verbunden ist. Das Messsignal gelangt über das Rohr und den Innenleiter 10 zum elektrischen Anschluss 2. Das Rohrinnere ist weiterhin mit sauerstoffspendenden Keramikpulver 12 gefüllt.
Bei der in 2d gezeigten Ausführung ist der elektrische Anschluss 2 als Stecker 21 ausgebildet. In diesem Fall ist das Keramikformteil 4 nur als ein kurzes, konisches Keramikteil 4 mit Innenbohrung ausbildet, das keinen Halsrohrschaft aufweist und ist im konischen Fassungsteildurchgang 20 mit der Fassung 5 durch eine Lötstelle 19 verbunden. Die Verbindung mit dem inneren metallischen Schutzrohrteil ist ebenfalls als Lötstelle ausgebildet.
Die in 2e dargestellte Ausführungsform besitzt einen Keramikformkörper 4, der mit zwei Durchgängen versehen ist, wobei durch diese massive Thermodrähte 22 geführt und zur Schweissperle 22.2 verschweisst bzw. verquetscht sowie nach oben druckdicht verschlossen sind.

1: Messelement
1.1: sensitiver Teil des Messelementes
1.2: Kapselhülse des Messelementes
2: elektrischer Anschluss
3: verlängerte Messelementanordnung
3.1: Wärmeleitspitze
4: Keramikkörper
4.1: verjüngtes Eintauchteil des Keramikkörpers
4.2: Halsrohr
4.3: Verdickung
4.4: verjüngte Messspitze
5: Fassungsteil
5.1: Schutzkäfig
5.2: Dichtbund
5.3: Uberwurfmuter
6: Verbindungsschicht
7: Bördelrand
8: vergossene Verbindungsstelle
9: Kittstelle
10: Innenleiter
10.1: Isolation des Innenleiters
11: keramische Vergussmasse
12: keramisches Füllpulver mit O₂-Spender-Material
13: oberer Vergoss
14: Anschlusskabel
15: Sicke
16: keramisches Füllpulver der Mantelleitung
17: Mantelthermoelement
17.1: indirekte Schweißperle
18: Koax-Mantelleitung
18.1: gehämmerte Spitze des Koax-Elements
18.2: Thermo-Schweißperle
19: Lötstelle zwischen Fassung und Keramikteil
20: konischer Durchgang am Fassungsteil
21: Stecker
22: Thermodraht
22.2: direkte Schweißperle

Claims

Hochtemperatursensor mit einem elektrischen Anschluss (2), einem temperaturabhängigen Messelement (1) und einem metallischen Fassungsteil (5), wobei das Fassungsteil (5) mit Prozessanschlussbauteilen verbunden ist und das unteres Ende des Fassungsteiles (5) in das zu messende Medium ragt und das obere Ende sich auf der Anschlussseite befindet, und im Inneren des Fassungsteiles (5) voneinander isolierte Innenleitungsdrähte (10) verlaufen, die das Messelement (1) mit dem elektrischen Anschluss (2) verbinden, dadurch gekennzeichnet, – dass das Fassungsteil (1) zylindrisch ausgebildet ist und im Fassungsteil (5) ein Keramikkörper (4) angeordnet ist, der gasdicht mit dem Fassungsteil (5) verbunden ist, aus beiden Enden des Fassungsteiles (5) herausragt und eine Innenbohrung aufweist, in dem die Innenleitungsdrähte (10) verlaufen, wobei mindestens einer der Innenleitungsdrähte (10) mit einer hochtemperaturbeständigen Isolation versehen ist.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (4) im mittleren Bereich eine Verdickung (4.3) aufweist, deren Außendurchmesser eng toleriert ist und der Keramikkörper (4) oberhalb der Verdickung (4.3) als Halsrohr (4.2) und unterhalb der Verdickung (4.3) als medienberührendes Eintauchteil (4.1) ausgebildet ist und der Keramikkörper (4) kraft- und/oder formschlüssig mit dem Fassungsteil (5) verbunden ist.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) als widerstandselektrisches Schichtelement mit mindestens zwei Anschlusselementen oder als thermoelektrisches Zweidraht- oder Koaxelement ausgeführt ist
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Keramikteil (4) und Fassungsteil (5) eine Kleb-, Löt-, oder Kittschicht eingebracht ist und am oberen Ende des Fassungsteiles (5) eine Bördelung (7) sowie im Verlauf der Gesamtlänge des Fassungsteiles (5) eine oder mehrere Sicken (15) angebracht sind.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im mittleren Teil des Fassungsteiles (5) angeordnete Prozessanschluss aus einem am Fassungsteil (5) angebrachten Bund (5.2) und einer Überwurfmutter (5.3) besteht.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (4) medienseitig verschlossen ausgebildet ist, wobei das Messelement (1) in der Spitze des medienberührenden Eintauchteiles (4.1) positioniert ist.
Hochtemperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintauchten (4.1) medienseitig offen ist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,. dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Messelement (1) innerhalb, bündig mit dem unteren Ende des Eintauchteiles (4.1) oder aus diesen herausragend angeordnet ist und die Innenleitungsdrähte (10) im Keramikkörper (4) gegenüber mechanischen Beanspruchungen sicher montiert sind.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der am oberen Ende des Halsrohres (4.2) angeordnete elektrische Anschluss (2), an dem die Innenleitungsdrähte (10) elektrisch leitend angeschlossen sind, aus einem Stecker (21) oder einer vergossenen Verbindungsstelle (8) des Anschlusskabels (14) besteht, und am Halsrohr (4.2) fixiert ist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem medienberührenden Bereich des Eintauchteiles (4.1) ein Schutzrohrmantel in Form einer Mantelleitung (17) oder einer Koaxmatelleitung (18) nach unten herausragt, in dem der sensitive Bereich des Messelementes (1) metallisch geschützt angeordnet ist.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitzenform der koaxialen Ausführung durch eine gehämmerte Spitze (18.1) ausgebildet ist, welche um einen Anschlussdraht angebracht ist.